基于solidworks的太陽能組件層壓機的設計

1、專業(yè)： 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 學號： Hebei Normal University of Science & Technology本科畢業(yè)設計（自然科學） 題 目： 基于solidworks的太陽能組件層壓機的設計 院（系、部）： 機電工程學院 學 生 姓 名： 指 導 教 師： 職 稱 2011年 05 月 08 日河北科技師范學院教務處制 本科畢業(yè)設計基于solidworks的太陽能組件層壓機的設計院（系、部）名 稱 ： 專 業(yè) 名 稱： 學 生 姓 名： 學 生 學 號： 指 導 教 師： 2011年 05 月 08 日河北科技師范學院教務處制 學 術 聲 明本人呈交的學位論文，是在導

2、師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產(chǎn)權歸屬于河北科技師范學院。本人簽名： （需手寫） 日期： （需手寫） 指導教師簽名： （需手寫） 日期： （需手寫） 摘 要太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力，進入2l世紀以來，世界太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國家大型工程項目、推廣計劃和國際合作項目的推動下，以前所未有的速度迅速發(fā)展。為了滿足我國太陽

3、電池組件生產(chǎn)企業(yè)對設備的要求，在各種電氣及機械設備法規(guī)的規(guī)定下，結合當今太陽電池組件層壓機的發(fā)展狀況，考慮到經(jīng)濟實用問題，對半自動太陽電池組件層壓機進行設計，在設備未投產(chǎn)前力求更加真實的模擬機器的工作情況，減少生產(chǎn)成本和時間。在確定太陽電池組件層壓機總體結構和功能要求的基礎上，利用逆向設計思路、SolidWorks三維造型對層壓機進行模型設計，對各種零件進行模擬裝配及運動分析，檢查機械各構件運動是否發(fā)生干涉；再運用SolidWorks內自帶的COSMOSWorks模塊進行有限元分析，對傳動機構進行力學計算。通過模仿真實環(huán)境下的工作發(fā)現(xiàn)并改正設計上的問題，最終完成太陽電池組件層壓機的設計與制造。

4、關鍵詞：SolidWorks；太陽電池組件層壓機；有限元分析AbstractSolar energy is the most abundant renewable resources of energy, has unique advantages and great potential for the development and utilization into the 2l century, the worlds solar photovoltaic industry, the rapid development of photovoltaic industry in the stat

5、e of large-scale projects, promotional programs and international cooperation Under the impetus of the project, the rapid development of an unprecedented rate. In order to meet our solar module production business requirements of the equipment, electrical and mechanical equipment in a variety of reg

6、ulations, the combination of todays solar module laminating machine development, taking into account economic and practical problems, the solar group of semi-automatic laminating machine parts design, the device is not put into a more realistic simulation of the former sought to work the machine, re

7、ducing production costs and time. In determining the overall structure of solar module laminator and functional requirements, based on the idea of using reverse design, SolidWorks three-dimensional modeling of the lamination machine model design, simulation of various parts assembly and motion analy

8、sis, check the mechanical movement of each component whether the interference; then use the built-in SolidWorks COSMOSWorks finite element analysis module, the mechanics of the calculation of transmission mechanism. Environment by imitating the work of the real find and correct design problems, and

9、ultimately complete solar module laminating machine design and manufacturing.Keywords: SolidWorks；finite element analysis；Solar module laminator 目 錄摘 要IAbstractI1 緒論11.1 論文研究背景與意義11.2 *11.2.1 *11.2.2 *11.3 *11.3.1 *11.3.2 *12 *122結論2致謝3附錄3 1 緒論 1.1 論文研究背景與意義由于傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣等)的日漸短缺，傳統(tǒng)能源的不可再生性和對環(huán)境日益加重的

10、負面影響，以及各個國家的能源安全考慮，使得太陽能發(fā)電的光伏產(chǎn)業(yè)(PV)在上世紀末本世紀初受到世界各國的重視。日本、歐洲和美國等經(jīng)濟發(fā)達、能源消耗大的國家起步較早，在技術上處于領先地位，所生產(chǎn)的太陽能電池組件封裝設備自動化程度高，控制方式靈活，產(chǎn)品系列較為完善，但產(chǎn)品價格昂貴，而國內的太陽能電池封裝設備水平低,不能達到組件生產(chǎn)設計能力。隨著國內太陽能電池市場方面政策因素不斷向好（國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020年)已將“高性價比太陽能光伏電池及利用技術”列為優(yōu)先主題），太陽能電池產(chǎn)業(yè)將是我國能源可持續(xù)發(fā)展的重要方向。據(jù)國內太陽能電池組件生產(chǎn)設備行業(yè)統(tǒng)計，我國新上標準太陽能電池生

11、產(chǎn)線僅有約三分之一的市場被國產(chǎn)設備占領，太陽能電池組件生產(chǎn)設備已成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前，制約我國太陽電池產(chǎn)量的主要原因，一是沒有足夠的太陽級硅片，二是大部分太陽電池廠封裝機技術水平低，不能達到組件生產(chǎn)設計能力。而進口一臺層壓機需要15萬美元以上，企業(yè)難以承擔。因此，層壓機的國產(chǎn)化是發(fā)展太陽電池產(chǎn)業(yè)的一項重大課題。太陽能電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部分，其中包括硅系太陽電池和非硅系太陽能電池等，硅系太陽電池有晶硅系太陽電池和非晶硅系太陽電池。在非晶硅太陽能電池的產(chǎn)業(yè)鏈上分布著非晶硅薄膜制備、電池制造、組件封裝、組件測試四個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都迫切需要開發(fā)出相應的加工設備。我國現(xiàn)有的封裝設

12、備國內已經(jīng)開始生產(chǎn)，但性能和配套性同國外有很大的差距。目前層壓機的制造多為中小企業(yè)，缺乏研發(fā)實力，產(chǎn)品的制造多停留在仿制階段上，沒有掌握產(chǎn)品的核心技術。 根據(jù)市場需求預測，到2010年，全世界PV市場年安裝量將在3.2GW3.9GW，而光伏工業(yè)年收入將達到186億231億美元，最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增長率高達49.8%以上。在國際市場的強力帶動下，我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)也增長迅猛，太陽電池市場處于飛速發(fā)展中。目前，多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜太陽能電池已應用于太陽能電池組件，迫切需要開發(fā)出相應的加工設備，提高現(xiàn)有設備的技術裝備水平和產(chǎn)能。目前太陽能電池層壓設備向著專業(yè)化、自動化、智能化的

13、方向發(fā)展。我國的常規(guī)能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的10%，隨著經(jīng)濟實力的不斷壯大，對能源的需求逐漸增大，常規(guī)能源將不足以滿足我國對能源的需求。發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)將是改善我國能源結構、緩解能源需求的重要措施。目前，我國太陽能電池組件產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出迅猛發(fā)展的勢頭，很多國內公司通過與國外公司的合作已經(jīng)開始進行或計劃進行多晶硅薄膜電池項目的投資，迫切需要研制出太陽能組件相關的制造設備。1.2 SolidWorks軟件簡介SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產(chǎn)品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為

14、制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領域中的最佳軟件系統(tǒng)，目前達索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等。其中的CosmosWorks軟件是一套強大的有限

15、元分析軟件，采用FFE（Fast finite Element）技術使得復雜耗時的工程分析時間大大縮短。COSMOS/Works是完全整合在Sol-DWORKS 中設計分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量，和優(yōu)化分析。為設計工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非常迅速地實現(xiàn)對大規(guī)模的復雜設計的分析和驗證，并且獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息。2太陽電池組件層壓機整體結構設計2.1太陽能層壓組件層壓機的機構半自動太陽電池組件層壓機由架體、起升鉸架、上箱、加熱板、起升氣缸、鈑金六個部分組成。如下圖1（鈑金部分已略去）所示：圖1

16、太陽能組件層壓機三維模擬圖1上箱 2加熱板 3架體4氣缸 5起升絞架2.2太陽電池組件層壓機的系統(tǒng)組成圖2 層壓機系統(tǒng)結構圖太陽電池組件層壓機在工作過程中主要提供兩個生產(chǎn)環(huán)境：真空環(huán)境和高溫環(huán)境。分別由真空泵和加熱爐提供實現(xiàn)，系統(tǒng)結構如圖2：2.2.1加熱系統(tǒng)層壓機加熱方式一般采用油加熱和電加熱兩種方式，這里我們采用導熱油加熱，加熱溫度200。加熱管在使用過程中分為兩組，開啟加熱時，兩組加熱管同時工作，當設備溫度達到使用溫度以后，設備自動關閉其中一組加熱管，僅用其中的一組即可維持設備溫度。加熱系統(tǒng)包括加熱板、加熱器、鉑電阻溫度傳感器、熱油泵、膨脹油箱和加熱功率控制器,其結構如圖3所示。圖3 加

17、熱系統(tǒng)圖2.2.2真空系統(tǒng)太陽能電池組件一般由五層工質疊層而成。放入層壓機內層壓時，需將工質與工質之間的空氣抽走，否則EVA在融化時，會將空氣封存在組件內，造成產(chǎn)品質量不符合要求。真空系統(tǒng)的設計正是滿足這一要求。真空泵分為油封和水封兩種，在這里，我們選用效率更好的油封真空泵。2.2.3起升系統(tǒng)考慮該機型的實際要求和經(jīng)濟型，這里我們采用氣動方式作為該機型的起升方式。起升系統(tǒng)主要有起升絞架、工作氣缸、氣源控制元件和氣源處理元件幾部分組成圖4 氣路圖層壓機在工作狀態(tài)時,各開關閥門的工作狀態(tài)如下:抽真空程序使,上下室真空閥門全部打開,所有電磁閥都關閉,在進行到加壓程序時,上室真空閥關閉,同時上室充氣閥

18、門打開,外界的大氣通過管道進入到上室;層壓程序時,上室充氣閥門關閉,其他閥門保持不變,開蓋程序時,上室真空閥門打開,下室真空閥門關閉,同時下室充氣閥門打開,外界的大氣進入到下室,下室充氣完畢后,層壓機上蓋打開。2.2.4控制系統(tǒng)2.3太陽電池組件層壓機的工作過程2.3.1預熱過程層壓機開始工作前，啟動加熱爐，對導熱油進行加熱。加熱的同時利用加熱爐自帶的循環(huán)泵將導熱油帶入加熱板，導熱油在加熱板內循環(huán)流動后，再流回加熱爐內加熱，這個過程中，導熱油將熱量傳給加熱板。如此循環(huán)過程，直到加熱板達到預先設定溫度，加熱泵停止加熱（加熱溫度由層壓過程中使用的EVA決定）。2.3.2放料過程將疊層好的電池片放入

19、層壓機內，一般的電池片疊層為五層，從上往下依次為玻璃片、EVA、焊接好的電池片、EVA、背板TPT(玻璃片)。2.3.3層壓過程合上蓋后進行下室抽氣。層疊好的太陽電池板放置在兩層玻璃布之間(屬于下真空室部分)，EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物膠膜)在層壓機內開始受熱，達到熔融狀態(tài)。EVA與電池板、玻璃、TPT(太陽能背板專用復合膜)之間如有空氣存在，下室抽氣(抽真空)可以將這些間隙中的空氣排除。抽氣之后對上真空室充氣進行加壓。在加壓過程中，下室繼續(xù)抽真空，上室充氣，膠皮氣囊構成的上真空室，充氣后體積膨脹(由于下室抽真空)充斥整個上、下室之間，擠壓放置在下室的電池片、EVA等，熔融后的EVA在擠壓和

20、下室抽空的作用下，流動充滿玻璃、電池片、TPT之間的間隙，同時排出中間的氣泡。2.3.4取料過程層壓過程結束后，電池片還需在層壓機內保持十分鐘左右，以使EVA固化。在層壓過程中，下室處于真空狀態(tài)，在大氣壓力作用下，上蓋受向下的壓力。所以開蓋前，須向下室充氣。然后利用設置在上箱的兩個起升絞架將上箱起升，取出電池片，再進行下一塊電池組件的封裝。3太陽電池組件層壓機的運動分析通過solidworks軟件對設計模型進行仿真和分析能夠模擬真實環(huán)境中傳動裝置的工作狀況，并對其進行分析和判斷，以盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷和潛在的失敗可能，提前進行改善和修正，以減少后期修改而付出的寶貴代價，縮短設計周期。4起升絞架的有

21、限元分析起升絞架是太陽組件層壓機起升系統(tǒng)的主要工作元件。在工作過程中要承受來自箱的交變載荷，其力學性能和機械性能直接影響太陽電池組件層壓機的工作可靠性。起升絞架的主要失效形式為變形和折斷，為簡化模型，提高分析效率，對起升絞架進行受力分析時，采用以下分析方法進行分析。4.1建立三維模型圖2 起升絞架模型圖打開solidworks軟件，新建一零件圖。在架構設計中，根據(jù)與其配合的零件的結構尺寸，繪制起升絞架的三維模型圖，如圖2：4.2定義約束和載荷約束和載荷都是在solidworks里用來仿真實物的重要依據(jù)，“約束”是針對實際的情況，對結構的點、線、面的自由度做一約束。對起升鉸架模型的四個鉸接點施加鉸鏈約束（鉸鏈約束可以指定圓柱面只能繞自己的軸旋轉）。載荷需通過計算獲得，其計算過程如下： 在SolidWorks軟件中對上箱各個零部件原料進行設定，全部為普通碳素結構鋼，在“工具”菜單欄中，選擇查看質量特性選項，會自動生成上箱的總質量和重心等數(shù)據(jù)。由軟件可知上箱總重m=985.4kg 則上箱G=mg=9656.92N 近似為9657N起升絞架在合蓋到位位置受力最大，所以取其合蓋到位位置進行受力分析針對上箱建立力學模型如圖3： 圖3 上箱受力圖根據(jù)空間任意力系的平衡方程：2Fy2x2=Gx1 得Fy2=338N2 Fy2+ 2 Fy1=G. 得Fy1=4490.5N 圖4 起升